Из чего изготавливается печатная плата? Современные платы создают на основе материалов, которые обеспечивают нужные электрические, тепловые и механические свойства. Наиболее часто используют FR-4, FR-1, FR-2, CEM-1, CEM-3, полиимид, полиимидный кварц, эпоксидно-арамидный материал, эпоксидную смолу BT, PTFE, Rogers, а также металлические и керамические подложки. Каждый материал выбирают по его свойствам. Например, FR-4 подходит для многослойных плат, а CEM-1 используют для недорогих изделий.
Таблица ниже показывает, какие параметры учитывают при выборе материала для печатной платы:
Параметр | Значение |
|---|---|
Диэлектрическая проницаемость | Важна для электрических свойств |
Коэффициент теплового расширения | Влияет на стабильность при нагреве |
Поглощение влаги | Определяет долговечность |
Температура стеклования (Tg) | Критична для пайки и термостойкости |
Стоимость | Сравнивают относительно FR-4 |
Из чего изготавливается печатная плата, зависит от задачи: где нужна высокая температура, гибкость или низкая стоимость, специалисты подбирают материал по этим параметрам.
Основные Выводы
Печатные платы изготавливают из разных материалов, каждый из которых подходит для определённых задач и условий эксплуатации.
FR-4 — универсальный и доступный материал, подходящий для большинства электронных устройств с хорошей прочностью и устойчивостью к влаге.
Для гибких и термостойких плат используют полиимид, а для высокочастотных устройств — PTFE и Rogers с низкими потерями сигнала.
Выбор материала зависит от электрических, тепловых и механических требований, а также от стоимости и технологичности производства.
Правильный подбор материала повышает надёжность и срок службы платы, снижая риски перегрева, повреждений и потерь сигнала.
Из чего изготавливается печатная плата
Основные материалы
Современные производители хорошо знают, из чего изготавливается печатная плата для большинства электронных устройств. Основу составляют несколько популярных материалов:
FR-4 — это эпоксидный стеклотекстолит. Он сочетает хорошие электрические и механические свойства. FR-4 применяют для цифровой и аналоговой электроники, а также для многослойных плат. Материал устойчив к температуре и влажности, что делает его универсальным выбором.
FR-1 и FR-2 — это материалы на основе фенольной смолы с бумажным наполнителем. FR-2 используют для простых односторонних плат, где не требуется высокая термостойкость. FR-1 отличается чуть большей температурой стеклования.
CEM-1 и CEM-3 — композитные материалы на основе эпоксидной смолы. CEM-1 содержит бумажно-стекловолоконный наполнитель и подходит для бюджетной электроники и односторонних плат. CEM-3 используют для двусторонних плат, он содержит стекловолокно и отличается белым цветом.
Полиимид — материал с очень высокой термостойкостью (Tg до 350°C). Полиимидные платы гибкие, их применяют в устройствах, где требуется изгиб или высокая надежность при нагреве.
В современных печатных платах широко применяются различные диэлектрические материалы, такие как FR-4, полиимиды, CEM-1, CEM-3 и PTFE. Эти материалы отвечают современным требованиям по термостойкости, механической прочности и электрическим параметрам, что подтверждается их широким применением в промышленности.
Материал | Тип связующего | Наполнитель | Температура стеклования (Tg), °C | Применение |
|---|---|---|---|---|
FR-4 | Эпоксидная смола | Стекловолокно | Универсальное, цифровая и аналоговая электроника | |
FR-2 | Фенольная смола | Бумага/целлюлоза | 105–120 | Односторонние платы |
CEM-1 | Эпоксидная смола | Бумажно-стекловолокно | 110–130 | Бюджетная электроника, односторонние платы |
CEM-3 | Эпоксидная смола | Стекловолокно | 110–130 | Двусторонние платы |
Полиимид | — | — | 250–350 | Гибкие и гибко-жесткие платы, высокая термостойкость |
PTFE (тефлон) | Фторполимеры | Стекловолокно/керамика | 200–280 | Высокочастотные платы, СВЧ |
Дополнительные материалы
Инженеры часто задаются вопросом, из чего изготавливается печатная плата для специальных задач. Для этого используют дополнительные материалы:
Полиимидный кварц — сочетает свойства полиимида и кварцевого наполнителя. Такой материал обеспечивает высокую стабильность размеров и отличную термостойкость. Его применяют в аэрокосмической и военной электронике.
Эпоксидно-арамидный материал — содержит арамидные волокна, которые повышают прочность и снижают вес платы. Такой материал подходит для оборудования, где важна механическая стойкость.
Эпоксидная смола BT — используется для высокоскоростных и многослойных плат. Она обеспечивает низкие потери сигнала и хорошую термостойкость.
PTFE (тефлон) — материал с очень низкими диэлектрическими потерями. Его применяют в радиочастотных и СВЧ-платах, где важна стабильность сигнала.
Rogers — это семейство материалов на основе PTFE и керамики. Они обеспечивают высокую стабильность электрических параметров и низкие потери, что важно для телекоммуникаций и спутниковой связи.
Металлические подложки — алюминий или медь служат основой для плат с высоким тепловыделением. Такие платы используют в светодиодных светильниках и мощных преобразователях.
Керамические подложки — обеспечивают отличную теплопроводность и электрическую изоляцию. Керамические платы применяют в мощной электронике, лазерах и медицинских приборах.
Материалы для высокоскоростного дизайна включают эпоксид, BT, PPE, цианатэфир и модифицированные акрилаты.
Относительная диэлектрическая проницаемость (Dk и Df) влияет на потери сигнала и характеристики материала.
Теплопроводность определяет эффективность рассеивания тепла и стратегию теплового управления.
Коэффициент теплового расширения (CTE) показывает, как материал расширяется при нагреве.
В технических отчетах часто сравнивают дополнительные материалы по их электрическим, тепловым и механическим свойствам. Испытания на термоциклирование и механическое воздействие помогают выбрать оптимальный материал для конкретной задачи.
Инженеры выбирают, из чего изготавливается печатная плата, исходя из требований к температуре, гибкости, стоимости и области применения. Для массовой электроники чаще всего используют FR-4 и CEM-3. Для гибких и термостойких плат подходят полиимиды. Высокочастотные устройства требуют PTFE или Rogers. Металлические и керамические подложки применяют там, где важен эффективный отвод тепла.
Свойства и характеристики
Электрические параметры
Электрические свойства материалов печатных плат определяют, как хорошо они проводят или изолируют электрический ток. Важнейшие параметры — диэлектрическая постоянная (ε) и тангенс угла потерь (tgd). Эти характеристики измеряют с помощью специальных приборов, например, векторного анализатора цепей. Материалы, такие как Rogers RO4003C, показывают стабильные значения ε и низкие потери даже на частотах до 30 ГГц. Это важно для высокочастотных устройств.
Параметр | Метод измерения | Оборудование | Материалы | Диапазон частот |
|---|---|---|---|---|
Диэлектрическая постоянная (ε) | S-параметры, резонаторы | Векторный анализатор цепей | Rogers, аналоги | до 50 ГГц |
Тангенс угла потерь (tgd) | Сравнение с моделированием | CST Studio Suite | Rogers, аналоги | до 30 ГГц |
Точные электрические параметры позволяют инженерам создавать платы для быстрой передачи сигнала и минимальных потерь.
Тепловые свойства
Тепловые характеристики материалов влияют на способность платы рассеивать тепло. В технической литературе указывается, что для эффективного отвода тепла используют специальные тепловые переходные отверстия и внутренние медные слои. Программное обеспечение помогает проектировать оптимальное расположение этих элементов. Материалы с высокой теплопроводностью, например, керамика или металлические подложки, применяют в мощной электронике.
Тепловое сопротивление подложки снижает риск перегрева компонентов.
Стандарт IPC 2152 рекомендует проектировать тепловые vias для лучшего отвода тепла.
Пассивное термоуправление включает выбор материала и правильное размещение компонентов.
Механическая прочность
Механическая прочность определяет, насколько плата устойчива к изгибу, растяжению и ударам. Производители проводят испытания на растяжение, изгиб и прочность сцепления фольги. Измеряют модуль упругости и предел текучести. Термомеханические испытания показывают, выдерживает ли материал многократные циклы пайки и высокие температуры. Для специальных применений выбирают материалы с высокой стабильностью и прочностью.
Платы проходят испытания на разрыв и сжатие.
Оценивают температуру стеклования (Tg) и коэффициент температурного расширения (КТР).
Надежные материалы сохраняют свойства после пайки и термоциклирования.
Стоимость и технологичность
Стоимость и технологичность зависят от сложности производства и свойств материала. Новые материалы требуют проверки на совместимость с технологическими процессами: очистка, травление, сверление, нанесение маски. Иногда приходится корректировать параметры производства для новых материалов. Современные методы позволяют создавать платы с высоким разрешением, но требуют специального оборудования.
Оценивают соответствие стандартам ГОСТ по точности и качеству.
Самостоятельное изготовление сложных плат требует опыта и оборудования.
Экологичность
Экологичность материалов становится всё важнее. Некоторые материалы, например PFAS, накапливаются в природе и могут вредить здоровью. Производители ищут более безопасные альтернативы. Использование полимерных пленок с вакуумным металлизационным слоем меди снижает расход химикатов и отходов, не требует очистных сооружений и уменьшает вред для окружающей среды.
Показатель | Фольгированный стеклотекстолит | Полимерная пленка с металлизацией |
|---|---|---|
Расход меди при травлении, г/м² | до 800 | до 6 |
Необходимость очистных сооружений | обязательно | не требуется |
Плотность проводников, мм⁻¹ | 2–3 | 6–8 |
Экологичные материалы и технологии помогают снизить вредное воздействие на природу и сделать производство более безопасным для людей.
Плюсы и минусы
FR-4
Плюсы | Минусы |
|---|---|
Доступная цена | Умеренные потери сигнала на высоких частотах (tgd ≈ 0,02) |
Широкое распространение | Низкая теплопроводность, возможны горячие точки |
Хорошая механическая прочность | |
Подходит для большинства задач | Ограничения при работе с высокими температурами |
FR-4 часто выбирают для массовой электроники. Однако инженеры учитывают, что при частотах выше 1 ГГц материал теряет часть своих свойств, а при пайке возможны проблемы из-за разницы расширения с медью.
CEM-1 и CEM-3
CEM-1 отличается низкой стоимостью и простотой обработки. Он подходит для односторонних плат, но не выдерживает многократных термоциклов.
CEM-3 прочнее и устойчивее к влаге, чем CEM-1. Его используют для двусторонних плат, где важна стабильность размеров.
Материал | Прочность при сжатии | Устойчивость к влаге | Применение |
|---|---|---|---|
CEM-1 | Средняя | Средняя | Односторонние платы |
CEM-3 | Выше | Выше | Двусторонние платы |
Прочность и долговечность CEM-3 выше, чем у CEM-1, особенно при пониженной влажности.
Полиимид и полиимидный кварц
Полиимид выдерживает высокие температуры (Tg до 350°C) и сохраняет гибкость. Его используют в гибких и гибко-жёстких платах.
Полиимидный кварц сочетает термостойкость и стабильность размеров, что важно для аэрокосмической техники.
Плюсы:
Высокая термостойкость
Гибкость (для полиимида)
Стабильность размеров (для полиимидного кварца)
Минусы:
Более высокая стоимость по сравнению с FR-4
Сложность обработки
Эпоксидно-арамидный материал
Этот материал лёгкий и прочный. Арамидные волокна повышают устойчивость к ударам и вибрациям.
Используют в авиации и военной электронике.
Плюсы:
Низкий вес
Минусы:
Сложность резки и сверления
Более высокая цена
Эпоксидная смола BT
Эпоксидная смола BT обеспечивает низкие потери сигнала и хорошую термостойкость.
Её применяют в многослойных и высокоскоростных платах.
Плюсы:
Отличные электрические свойства
Подходит для высокоскоростных схем
Минусы:
Дороже стандартных эпоксидных материалов
Требует точного соблюдения технологии
PTFE и Rogers
PTFE (тефлон) и материалы Rogers используют для радиочастотных и СВЧ-плат.
Они обеспечивают низкие потери сигнала и стабильные параметры на частотах до 30–50 ГГц.
Плюсы:
Очень низкая диэлектрическая проницаемость
Отличная гибкость (PTFE)
Высокая стабильность параметров (Rogers)
Минусы:
Высокий коэффициент теплового расширения
Сложность обработки и соединения с другими материалами
Мягкость, что снижает механическую прочность
Металлические подложки
Металлические подложки (алюминий, медь) хорошо отводят тепло и повышают механическую прочность платы.
Их используют в мощных светодиодных светильниках и преобразователях.
Плюсы:
Эффективное тепловое управление
Прочность и долговечность
Минусы:
Возможны дефекты металлизации (заусенцы, неравномерность слоя)
Подвержены коррозии и деформациям при ошибках производства
Керамические подложки
Керамические подложки обеспечивают высокую теплопроводность и отличную электрическую изоляцию.
Размеры подложек варьируются от 10×10 мм до 120×120 мм, толщина — от 0,2 до 3,2 мм.
Плюсы:
Высокая прочность на изгиб
Чистота поверхности (Ra до 0,01 мкм)
Стабильные электрические параметры
Минусы:
Высокая стоимость
Хрупкость, требует аккуратного обращения
Керамические платы применяют в мощной электронике, лазерах и медицинских приборах, где важна надёжность и тепловой режим.
Выбор материала
Критерии выбора
При выборе материала для печатной платы инженеры учитывают множество факторов. Каждый критерий влияет на надежность и срок службы устройства. Таблица ниже показывает основные параметры, которые используют при принятии решения:
Описание и подтверждение | |
|---|---|
Электрические свойства | Требования к электрическим характеристикам платы, подтверждённые расчетами и стандартами |
Тепловые свойства | Учет тепловой стабильности, максимальной рабочей температуры, температуры стеклования (Tg) |
Структурная целостность | Предел прочности при изгибах, стабильность размеров, устойчивость к механической обработке |
Тип соединений | Влияние на выбор материала с учетом пайки и наличия разъемов |
Количество электрических связей | Учет сложности конструкции и влияния на затраты и надежность |
Дополнительные параметры | Тип связующего, огнестойкость, температурная стабильность, коэффициент теплового расширения (CTE), допуски на толщину |
Типы медной фольги | Выбор между электроосаждённой и катаной медью с учетом стандартов качества |
Удельное сопротивление меди | Расчеты сопротивления с использованием формул и инструментов |
Токовая нагрузка меди | Использование графиков для определения токонесущей способности |
Специалисты советуют согласовывать выбор материала с производителем, чтобы учесть все технологические нюансы и стандарты.
Примеры применения
Инженеры подбирают материал платы в зависимости от условий эксплуатации и требований к устройству:
FR-4 подходит для большинства бытовых и промышленных устройств. Он устойчив к влаге и температуре, обеспечивает хорошую огнестойкость.
Для высокочастотных схем и радиоустройств используют PTFE и Rogers. Эти материалы сохраняют стабильные электрические параметры даже при больших нагрузках.
В мощных светодиодных светильниках и преобразователях применяют платы на металлических подложках. Они эффективно отводят тепло и увеличивают срок службы компонентов.
Гибкие и гибко-жёсткие платы из полиимида используют в мобильных устройствах и медицинской технике, где важна компактность и устойчивость к изгибам.
Корпорация ESPEC проводила испытания плат с термоциклированием и термоударами. Результаты показали, что правильный выбор материала снижает риск растрескивания припоя и увеличивает срок службы металлизированных отверстий. Для оценки надежности специалисты используют метод микрошлифов. Они изучают внутреннюю структуру платы под микроскопом, чтобы выявить скрытые дефекты.
При сложных или специфических задачах, например, при проектировании плат для агрессивных сред или экстремальных температур, инженеры рекомендуют обращаться к специалистам. Такой подход помогает избежать ошибок и повысить надежность изделия.
Выбор, из чего изготавливается печатная плата, всегда зависит от условий эксплуатации и требований к устройству. Специалисты отмечают, что надежность платы повышается при правильном подборе материалов:
Гибко-жесткие платы уменьшают количество соединений и защищают цепи от механических воздействий.
Диэлектрическая проницаемость и коэффициент рассеяния напрямую влияют на качество сигнала.
Комплексные параметры, такие как температура разложения и коэффициент теплового расширения, важны для долговечности.
Эксперты советуют не экономить на качестве и при сложных задачах обращаться к профессионалам. Грамотный выбор материала определяет срок службы и стабильность работы устройства.
FAQ
Какие материалы чаще всего используют для печатных плат?
Производители чаще всего выбирают FR-4. Этот материал подходит для большинства бытовых и промышленных устройств. Он сочетает доступную цену, хорошие электрические и механические свойства.
Почему для высокочастотных плат выбирают PTFE или Rogers?
PTFE и Rogers обеспечивают низкие потери сигнала и стабильные электрические параметры. Эти материалы подходят для радиочастотных и СВЧ-устройств, где важна точность передачи сигнала.
Можно ли использовать одну и ту же плату при разных температурах?
Нет, разные материалы выдерживают разные температуры. Например, полиимид подходит для высоких температур, а FR-2 — только для низких. Инженеры подбирают материал под условия эксплуатации.
Какой материал выбрать для гибкой печатной платы?
Полиимид — лучший выбор для гибких плат. Он сохраняет гибкость и прочность даже при многократных изгибах. Такой материал используют в мобильных устройствах и медицинской технике.
Совет: Перед выбором материала инженер должен учитывать требования к температуре, гибкости и стоимости.